DE102011016672A1

DE102011016672A1 - Stepless gearbox for e.g. pedal electric cycle, has frictional bodies whose rotational axis is inclined to main axis and lies tangential or perpendicular to imaginary cylindrical periphery of main axis

Info

Publication number: DE102011016672A1
Application number: DE102011016672A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-09
Filing date: 2011-04-09
Publication date: 2012-10-11

Abstract

The gearbox has expanding clutches (6a, 6b) supported in a gear housing for realizing required input and output side pressure forces, and input and output axes lying collinear to a main axis (20). A rotational axis (3) of frictional bodies (2) is inclined to the main axis and lies tangential or perpendicular to an imaginary cylindrical periphery of the main axis. Each frictional body is mounted axially or radially, where the bodies are rotationally symmetrical to the main axis and have variable radius. A planetary gear (8) is arranged in front of and/or behind a transmission part of the body.

Description

Der heutige Stand der Technik kennt diverse, in ihrem Übersetzungsverhältnis stufenlos variierbare Getriebe, welche kraftschlüssig bzw. reibschlüssig arbeiten, auch Reibradgetriebe oder Wälzgetriebe genannt. Die Antriebsleistung wird durch Umfangskräfte übertragen, welche zwischen rotationssymmetrischen Reibkörpern unter einer Anpresskraft in den dabei radial zur Rotationsachse der Reibkörper angeordneten Berührflächen wirken. Die dabei unter der Anpresskraft entstehenden Abplattungen an den Reibkörperberührstellen lassen sich nach Hertz bzw. Stribeck berechnen und sind punkt- bzw. linienförmig. Die realisierten Reibradgetriebebauformen haben gemeinsam, dass sie die stufenlose Veränderung der Übersetzung durch stufenlose Veränderung des Radiuses der Berührflächen relativ zu den Reibkörperrotationsachsen verwirklichen. Die Reibkörper sind dabei im Wesentlichen kegel- bzw. kugelförmig. Die Veränderung des Radiuses wird bei Kugelreibgetrieben meist durch die Verkippung der Kugeldrehachse relativ zu einem An-/Abtriebskörper und bei Kegelreibgetrieben im Wesentlichen durch die Verlagerung der Reibfläche längs der Kegelachse realisiert. Dabei sind abhängig vom Reibbeiwert der Reibpartner und der zu übertragenden Umfangskraft hohe Anpresskräfte notwendig, welche die Reibkörper belasten. Diese werden z. B. durch sogenannte Spreizkupplungen (siehe DE 41 27 030 A1 ) erzeugt.The current state of the art knows various, infinitely variable in their ratio gearbox, which operate non-positively or frictionally, also called friction gear or Wälzgetriebe. The drive power is transmitted by circumferential forces, which act between rotationally symmetrical friction bodies under a contact force in the radial direction of rotation of the friction body disposed contact surfaces. The resulting flattening at the Reibkörperberührstellen under the contact force can be calculated according to Hertz or Stribeck and are punctiform or linear. The realized friction gear designs have in common that they realize the stepless change in the ratio by continuously changing the radius of the contact surfaces relative to the Reibkörperrotationsachsen. The friction bodies are essentially conical or spherical. The change in the radius is realized in Kugelreibgetrieben mostly by the tilting of the ball axis of rotation relative to a drive / driven body and Kegelreibgetrieben essentially by the displacement of the friction surface along the cone axis. In this case, depending on the friction coefficient of the friction partner and the circumferential force to be transmitted high contact forces necessary, which burden the friction body. These are z. B. by so-called Spreizkupplungen (see DE 41 27 030 A1 ) generated.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass, je nach Konstruktion bzw. durch die vom Reibkörpermaterial maximal ertragbare Hertz'sche Pressung, der Übersetzungsbereich des Reibradgetriebes eingeschränkt wird.The indicated in claim 1 invention is based on the problem that, depending on the construction or by the maximum friction material from the Reibkörpermaterial Hertzian pressure, the transmission range of the friction gear is limited.

Ein Beispiel für die konstruktiv bedingte Einschränkung des Übersetzungsbereiches ist das Getriebe von Fallbrook ( WO 2009/111328 A1 ), bei welchem durch die axiale Lagerung der Reibkugeln der Verkippungswinkel deren Lagerachsen und damit das maximal mögliche Übersetzungsverhältnis des Getriebes geometrisch begrenzt wird.An example of the constructive restriction of the range of transmission is the gearbox of Fallbrook ( WO 2009/111328 A1 ), in which by the axial bearing of the friction balls of the tilt angle whose bearing axes and thus the maximum possible transmission ratio of the transmission is geometrically limited.

Bei Kegelreibgetrieben begrenzt die mit der Verringerung des Kegelradiuses quadratisch anwachsende Hertz'sche Pressung einen großen Übersetzungsbereich zumindest bei kleiner Bauform.In conical friction gearboxes, the Hertzian pressure, which grows quadratically with the reduction of the bevel radius, limits a large transmission range, at least in the case of a small design.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 dargestellte geometrische Lage der Drehachse (1), um welche der Reibkörper (2) gekippt werden kann, gelöst. In dieser Anordnung ist es möglich, durch Verkippen der Reibkörperrotationsachse (3), das Verhältnis von kleinem Radius (r) an der Antriebsseite (Antriebsseite) zu großem Radius (R) an der Abtriebsseite (Antriebsseite) und damit das Übersetzungsverhältnis theoretisch gegen Unendlich bzw. gegen Null gehen zu lassen (R/r = ∞ bzw. r/R = 0). Dabei verändert sich der für die Berechnung der Hertz'sche Pressung heranzuziehende Radius nicht. Er bleibt wegen der Kugelform des Reibkörpers immer gleich groß. Die theoretisch größtmögliche Über- bzw. Untersetzung des Getriebes wird lediglich durch das in der Reibfläche auftretende und den Wirkungsgrad sowie die maximal ertragbare Hertz'sche Pressung bestimmende Bohrmoment begrenzt.This problem is solved by the geometric position of the axis of rotation shown in claim 1 (US Pat. 1 ) around which the friction body ( 2 ) can be tilted, solved. In this arrangement, it is possible by tilting the Reibkörperrotationsachse ( 3 ), the ratio of small radius (r) on the drive side (drive side) to large radius (R) on the output side (drive side) and thus theoretically let go the ratio to infinity or to zero (R / r = ∞ or r / R = 0). In doing so, the radius to be used for the calculation of the Hertzian pressure does not change. He remains because of the spherical shape of the friction body always the same size. The theoretically largest possible over- or reduction of the transmission is only limited by the occurring in the friction surface and the efficiency and the maximum sustainable Hertzian pressure determining Bohrmoment.

Durch die in Patentanspruch 1 dargestellte Anordnung wird eine Lagerung des Reibkörpers im Inneren notwendig, welche nach Patentanspruch 2 getrennt axial (4) und radial (5) bezüglich der Reibkörperrotationsachse ausgeführt ist. Hierbei sind die beiden Lagerungsarten mit Kugeln (axial) bzw. Nadeln (radial) nur beispielhaft zu verstehen. Es können je nach Belastungsfall und erforderlicher Drehzahl auch andere Wälzkörperformen zum Einsatz kommen, wie z. B. Rollen oder Tonnen. Die axiale Lagerung dient hierbei im Wesentlichen zum Abstützen der durch die symmetrisch angebrachten Spreizkupplungen (6) eingebrachten Anpresskräfte, welche je nach Kippwinkel der Reibkörperrotationsachse (3) einen resultierenden, relativ zur Reibkörperrotationsachse variablen, radialen und axialen Anteil aufweisen. Die zusätzliche radiale Lagerung dient der Stabilisierung des Reibkörpermantels gegenüber den Anpresskräften der Spreizkupplungen, vermindert eine Verformung desselben und erhöht dadurch den Gesamtwirkungsgrad des Getriebes. Zudem werden durch die radiale Lagerung die auf den Reibköper (2) wirkenden Umfangskräfte aufgenommen.Due to the arrangement shown in claim 1, a bearing of the friction body in the interior is necessary, which separated according to claim 2 axially ( 4 ) and radial ( 5 ) with respect to the Reibkörperrotationsachse is executed. Here are the two types of storage with balls (axial) or needles (radial) to be understood only as an example. It can be used depending on load case and required speed and other Wälzkörperformen, such. B. rolls or tons. The axial bearing serves in this case essentially to support the by the symmetrically mounted Spreizkupplungen ( 6 ) introduced pressing forces, which depending on the tilt angle of Reibkörperrotationsachse ( 3 ) have a resulting, relative to the Reibkörperrotationsachse variable, radial and axial portion. The additional radial bearing serves to stabilize the friction body against the contact forces of the Spreizkupplungen, reduces deformation of the same and thereby increases the overall efficiency of the transmission. In addition, by the radial bearing on the Reibköper ( 2 ) acting circumferential forces.

Der im Patentanspruch 3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die am Reibkörper zu übertragende Umfangskraft mit der Übertragungsleistung bei sonst gleichen Bedingungen anwächst. Das Problem wird dadurch gelöst, dass eine variable Anzahl von Reibkörpern rotationssymmetrisch zur Hauptachse (20) des Getriebes angeordnet werden kann und das Getriebe somit im Hinblick auf die Leistungsübertragung skalierbar wird. Das heißt, die zu übertragende Umfangskraft kann auf mehrere Reibkörper verteilt werden.The indicated in claim 3 invention is based on the problem that the circumferential force to be transmitted to the friction body increases with the transmission power under otherwise identical conditions. The problem is solved in that a variable number of friction bodies rotationally symmetrical to the main axis ( 20 ) of the transmission can be arranged and the transmission is thus scalable in terms of power transmission. That is, the circumferential force to be transmitted can be distributed to a plurality of friction bodies.

Der im Patentanspruch 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die maximal ertragbare Hertz'sche Pressung des Reibkörpermaterials, i.d.R. Stahl, begrenzt ist. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der der Hertz'schen Pressungsberechnung zugrunde liegende Reibkörperradius variiert werden kann. Die Hertz'sche Pressung verhält sich umgekehrt proportional zu R². Das Getriebe erhält dadurch einen weiteren Freiheitsgrad einer Skalierbarkeit und damit die Möglichkeit zur Anpassung an verschiedenste Drehzahl-/Drehmomenterfordernisse.The indicated in claim 4 invention is based on the problem that the maximum sustainable Hertzian pressure of the Reibkörpermaterials, usually steel, is limited. The problem is solved in that the friction radius underlying the Hertzian pressure calculation can be varied. The Hertzian pressure behaves inversely proportional to R ² . The transmission thus receives another degree of freedom of scalability and thus the ability to adapt to a variety of speed / torque requirements.

Der im Patentanspruch 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die ein Reibradgetriebe maßgeblich bestimmenden Größen die durch die erforderliche Anpresskraft erzeugte Hertz'sche Pressung und das in der Hertz'schen Kontaktfläche auftretende Bohrmoment sind. Da die erforderliche Anpresskraft unter anderem direkt von der zu übertragenden Umfangskraft und damit indirekt vom zu übertragenden An- bzw. Abtriebsdrehmoment abhängt, lässt sich durch einen vor- bzw. nachgeschalteten Planetenradsatz (8) das erforderliche An- bzw. Abtriebsdrehmoment am Reibradgetriebeteil anpassen. Das heißt, ist ein hohes Eingangsdrehmoment zu übertragen, verringert ein ins Schnelle übersetzender vorgeschalteter Planetenradsatz das erforderliche Drehmoment am Reibgetriebeeingang und damit die notwendige Anpresskraft, die Hertz'sche Pressung und das auftretende Bohrmoment. Ein nachgeschalteter ins Langsame übersetzender Planetenradsatz verringert somit das erforderliche Drehmoment am Reibradgetriebeausgang. Damit ist zwar nur ein Teilaspekt der komplexen Reibradgetriebeauslegung beleuchtet, aber ein weiterer Freiheitsgrad für eine kompakte Bauform und einen hohen Wirkungsgrad geschaffen. Zudem bleibt der in Patentanspruch 1 dargestellte große Übersetzungsbereich des Reibradgetriebes erhalten. The indicated in claim 5 invention is based on the problem that a friction gear decisively determining sizes are the Hertzian pressure generated by the required contact force and the occurring in the Hertz contact surface Bohrmoment. Since the required contact force depends, inter alia, directly on the circumferential force to be transmitted and thus indirectly on the input torque or output torque to be transmitted, it is possible to use a planetary gearset (or 8th ) adjust the required input or output torque on the friction gear part. That is, when a high input torque is to be transmitted, a high speed planetary gearset reduces the required torque at the friction gear input and thus the necessary contact force, hertzian pressure and torque. A downstream, slow-speed planetary gear set thus reduces the required torque at the friction gear output. Although this illuminates only a partial aspect of the complex design of the friction gear, it provides a further degree of freedom for a compact design and high efficiency. In addition, the illustrated in claim 1 large translation range of Reibradgetriebes is maintained.

Der im Patentanspruch 6 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfache, genaue und zueinander gleiche Einstellung der geforderten Übersetzung durch Verkippung jedes einzelnen Reibkörpers zu realisieren. Dieses Problem wird dadurch gelöst, das ein im Ringträger (9) axial unbeweglich gelagertes Schneckenrad (10) durch Drehung alle Reibkörperträger gleichzeitig verkippt. Dies wird durch eine Verzahnung (11) am Fuß des Reibkörperträgers (12) realisiert in welche das Schneckenrad eingreift. Durch diese Anordnung wird eine winkelgenaue Einstellung aller Reibkörper zueinander realisiert, da diese geometrisch über die Teilung des Schneckenrades definiert wird.The indicated in claim 6 invention is based on the problem to realize a simple, accurate and mutually identical setting of the required translation by tilting each individual friction body. This problem is solved by the one in the ring carrier ( 9 ) Axially immovably mounted worm wheel ( 10 ) by rotation all Reibkörperträger simultaneously tilted. This is done by a gearing ( 11 ) at the foot of Reibkörperträgers ( 12 ) realized in which the worm wheel engages. By this arrangement, an angular adjustment of all friction body is realized to each other, since this is geometrically defined by the pitch of the worm wheel.

Der im Patentanspruch 7 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Schneckenrad von außen anzutreiben. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass eine ins Innere des Getriebes führende Schalthohlwelle (13) eine mit ihr drehfest und axial verschiebbar gelagerte Flügelkupplung (14) rotatorisch antreibt. Diese greift ihrerseits über einen radial angebrachten Flügel (14a) in eine Nut des Schneckenrades (10a) ein, um dort an jeweils einer äußeren balligen Berührfläche des Flügels jeweils an einer Nutflanke des Schneckenrades Umfangskräfte zu übertragen. In axialer Richtung wird die Flügelkupplung durch einen Sicherungsring (15) im Schneckenrad gehalten. Ein durch Fertigungstoleranzen eingebrachtes radiales Spiel zwischen Schneckenrad und Flügelkupplung wird durch ein Gleiten der balligen Anlageflächen des Flügels in den Nutflanken des Schneckenrades ausgeglichen.The specified in claim 7 invention is based on the problem of driving the worm wheel from the outside. This problem is solved in that a hollow shaft leading into the interior of the transmission ( 13 ) a with her rotatably and axially displaceably mounted wing coupling ( 14 ) drives rotationally. This in turn accesses via a radially mounted wing ( 14a ) in a groove of the worm wheel ( 10a ), in order to transmit circumferential forces to a respective flank of the worm wheel on each outer spherical contact surface of the blade. In the axial direction, the wing coupling by a retaining ring ( 15 ) held in the worm wheel. A introduced by manufacturing tolerances radial clearance between the worm wheel and wing coupling is compensated by sliding the spherical bearing surfaces of the wing in the groove flanks of the worm wheel.

Der im Patentanspruch 8 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das an den Reibkörperberührflächen durch die Umfangskräfte um die Hauptachse wirkende Drehmoment abzustützen. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der die Reibkörper (2) tragende Reibkörperträger (12) in einem Spalt des Ringträgers (9) geführt wird und somit über die Flanken des Spaltes das Drehmoment an den Ringträger weitergibt, welcher wiederum auf einer nach außen führenden Hohlwelle (16) drehfest gelagert ist.The specified in claim 8 invention is based on the problem to support the acting on the Reibkörperberührflächen by the circumferential forces around the main axis torque. The problem is solved by that the friction body ( 2 ) carrying friction body carrier ( 12 ) in a gap of the ring carrier ( 9 ) is guided and thus passes on the flanks of the gap, the torque to the ring carrier, which in turn on a hollow shaft leading to the outside ( 16 ) is rotatably mounted.

Der im Patentanspruch 9 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die durch die Spreizkupplungen (6) erzeugte Anpresskraft in Hauptachsenrichtung durch Trägheit der Momentenübertragungsprozesse im Inneren des Getriebes sowie durch Verformung der beteiligten Komponenten zu einer axialen Belastung der Reibkörperlagerung führen kann. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der die Reibkörper tragende Ringträger axial verschiebbar auf der Hohlwelle gelagert ist und somit die axial am Getriebeeingang (Getriebeausgang) durch die Spreizkupplung belasteten Reibkörper in Richtung der Spreizkupplung am Getriebeausgang (Getriebeeingang) ausweichen können. Das heißt, es kann ein Kraftschluss zwischen beiden Spreizkupplungen stattfinden, welche sich ihrerseits am Getriebegehäuse abstützen.The specified in claim 9 invention is based on the problem that by the Spreizkupplungen ( 6 ) generated in the main axis direction by inertia of the torque transmission processes in the interior of the transmission and by deformation of the components involved can lead to an axial load of the friction body bearing. The problem is solved in that the ring carrier carrying the friction bodies is mounted axially displaceably on the hollow shaft and thus can avoid the friction bodies loaded axially on the transmission input (transmission output) by the expansion coupling in the direction of the expansion coupling on the transmission output (transmission input). That is, there may be a frictional connection between the two Spreizkupplungen, which in turn are supported on the transmission housing.

Der im Patentanspruch 10 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass es bei der vorgestellten Konstruktion wichtig ist, dass alle Reibkörper gleichmäßig belastet werden, da ansonsten durch den vorzeitigen Verschleiß eines überlasteten Reibkörpers das ganze Getriebe ausfallen könnte. Eine ungleichmäßige Belastung könnte unter anderem durch den Achsversatz der Spreizkupplungachse relativ zur Ringträgerachse hervorgerufen werden.The indicated in claim 10 invention is based on the problem that it is important in the proposed construction that all friction are evenly loaded, otherwise the entire gearbox could fail due to premature wear of an overloaded friction body. An uneven load could be caused inter alia by the axial offset of the Spreizkupplungachse relative to the ring carrier axis.

Das Problem wird dadurch gelöst, dass die Spreizkupplung durch einen Mitnehmerring (17) angetrieben wird, welcher nicht fest mit ihr verbunden ist. Die Spreizkupplung greift lediglich durch an ihr radial angebrachte Zylinderstifte (18) in Schlitze (17s) des Mitnehmerrings ein, wodurch sie ein radiales Spiel erhält und sich damit an den Reibkörpern zentrieren kann. Dies sorgt für eine gleichmäßige Belastung aller Reibkörper und damit eine Verringerung der Versagenswahrscheinlichkeit durch Überlastung eines Reibkörpers.The problem is solved in that the Spreizkupplung by a driving ring ( 17 ), which is not firmly connected to it. The Spreizkupplung engages only by her radially mounted cylindrical pins ( 18 ) in slots ( 17s ) of the driving ring, whereby it receives a radial clearance and can thus center on the friction bodies. This ensures a uniform load of all friction and thus a reduction in the probability of failure by overloading a friction body.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4127030 A1 [0001]
WO 2009/111328 A1 [0003]

Claims

Continuously variable transmission for rotatably driven vehicles, machinery and equipment, especially for bicycles, pedelecs, mopeds and motorcycles with spherical, the driving force frictionally, by means of a Reibradöles transmitting friction bodies, the respectively required on the input and output side contact pressure is realized by Spreizkupplungen which supported in the gear housing and the input / output axis are each collinear on a main axis, characterized in that the Reibkörperrotationsachse can be tilted about a rotational axis which is tangent to an imaginary peripheral cylinder of the main axis and perpendicular to this.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that each Reibköper is mounted axially and radially inside.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that a plurality of friction bodies can be arranged rotationally symmetrical to the main axis.

Stepless transmission according to claim 1, characterized in that the Reibkörperradius can be varied.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that a planetary gear is arranged before and / or after the Reibkörpergetriebeteil.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that the angular displacement of the Reibkörperrotationsachse is effected by a worm wheel mounted in the ring carrier.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that the drive of the worm wheel is effected by a rotatably mounted on a hollow shaft and axially displaceable wing coupling.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that the occurring during loading, resulting from the circumferential forces supporting moment is transmitted to the friction bodies through the guided in a gap in the ring carrier Reibkörperträger.

Continuously variable transmission according to claim 1, characterized in that the ring carrier and the planet carrier rotatably and axially displaceably mounted on a hollow shaft, wherein the hollow shaft leads to the outside, there to be able to intercept the supporting moment.

Stepless transmission according to claim 1, characterized in that the driving ring has at its periphery slots in which radially engage the spreader coupling cylinder pins.